污水生物除磷工艺分析
目前城镇污水处理厂普遍采用强化生物除磷系统。在EBPR系统中，聚磷菌在厌氧阶段将细胞内的多磷酸盐水解为正磷酸盐，并从中获取能量吸收挥发性脂肪酸（VFAs）合成PHA。在缺氧或好氧阶段，PHA降解产生能量，污水中的磷酸盐转化为聚磷酸盐储存在细胞内，达到除磷的目的。高磷菌在厌氧阶段也能吸收VFAs，与聚磷菌竞争，但不具备除磷效果。因此，活性污泥中聚磷菌和高磷菌的数量对EBPR的稳定性和除磷效率至关重要。影响聚磷菌和高磷菌之间竞争的因素很多，其中温度的影响较为显著。实验室研究表明，中低温（20℃以下）有利于PAOs的竞争，高温（20℃以上）有利于GAOs的竞争，但实际污水处理厂中不同温度下PAOs和GAOs等竞争对手的变化尚不明确。
本研究通过长期连续测定西安市第三污水处理厂氧化沟生物反硝化除磷系统水质及污泥中微生物组成，结合活性污泥释磷速率及吸收速率测定及FISH技术，探究长期温度变化对EBPR系统除磷性能及活性污泥中PAOs和GAOs比例的影响，为污水处理厂的高效稳定运行提供依据。
1 实验部分
1.1污水处理厂工艺参数及进出水水质
西安市第三污水处理厂主要处理西安东郊的生活污水和工业污水，处理后出水排入浒河。设计日处理规模15万吨，采用厌氧选择池+奥巴尔氧化沟工艺，HRT为18小时，SRT为17-19天。
污水处理厂进出水水质见表1，出水水质指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（CB 18918-2002）一级A标准。
表1 进出水主要水质
1.2 实验方法
1.2.1常规指标检查
试验中常规水质指标的测定方法按照《水与废水监测分析方法》（第4版）进行，采用气相色谱法（ 6890 N）测定挥发性脂肪酸（VFAs），条件为：检测器：氢火焰离子化检测器（FID）；色谱柱：PEWAX ETR（30 m x 250 μm x 0.25 μm）。
1.2.2活性污泥磷释放及吸收速率的测定
采用间歇实验法测定活性污泥的磷释放速率与吸收速率。
将活性污泥曝气1 h，使之适应实验环境，曝气结束后用除氧自来水冲洗活性污泥2次，然后加入无水乙酸钠使乙酸初始浓度为100 mg/L。为避免氧气进入，实验过程中通入氮气，保证厌氧状态。厌氧反应时间为4.5 h，在不同时间点取样，测定相应的乙酸和磷浓度。实验结束时测定混合液的VSS，得到厌氧磷释放速率（mg P/(g VSS·h)）、乙酸吸收速率（mg HAc·(g VSS·h)-1）及单位乙酸吸收量的磷释放量（mg P·(mg HAc)-1）。
磷释放速率测定实验完成后，将活性污泥分成两等份，分别进行缺氧磷吸收速率和好氧磷吸收速率测定实验。缺氧反应时向活性污泥中投加KNO3，使NO3--N初始浓度为20mg/L。好氧反应时以60L/h速率通入空气，保证反应器内DO浓度在2mg/L以上。缺氧、好氧反应时间均为3h，在不同时间点取样测定相应的磷浓度，实验结束时测定混合液的VSS，得到缺氧磷吸收速率（mg P·(g VSS·h)-1）和好氧磷吸收速率（mg P·(g VSS·h)-1）。
1.2.3 FISH 方法
直接从污水处理厂取的活性污泥用生理盐水洗涤三次，除去干扰荧光测定的物质，然后稀释至原体积。取1 mL洗涤后的活性污泥，用4%多聚甲醛在4 ℃下固定2h，再用1×PBS缓冲液洗涤三次，洗去多余的多聚甲醛溶液，加入1:1 PBS缓冲液和无水乙醇，摇匀，-20 ℃保存，用于荧光原位杂交。杂交步骤参考AMANN等的方法。
FISH分析（生工生物技术有限公司）所用的探针如下：
总细菌数（EUB）：探针为-II和-III探针按1:1:1的比例混合而成；
多磷酸盐积累菌（PAO）：探针为、和3种探针按1:1:1的比例混合而成；
高：调查是 GB 的。
各探针的RNA序列及对应的甲基苯酞浓度如表2所示。
表 2 FISH 分析方法中使用的探针
杂交后采用共聚焦显微镜（德国Leica，型号SP8）采集图像。每个活性污泥样品做3个平行样，每个平行样随机选取10个视野采集图像。采用Image-6.0软件对采集图像中不同的荧光面积进行计数，以PAO和GAO探针的荧光面积与EUB探针的荧光面积之比来表示PAO和GAO与EUB的数量比。
2 结果与讨论
2.1 温度对活性污泥释磷及吸磷的影响
试验持续1年，其间氧化沟活性污泥水温在13.5~27.9 ℃之间变化。由于厌氧磷释放速率随温度变化趋势不同，因此将温度分为3个区间（20 ℃以下、20~25 ℃之间、25 ℃以上）进行讨论。结果见表3。
表3 不同温度下磷释放与吸收速率值及与现有相关研究对比
如表3所示，当温度在20℃以下时，随着温度的升高，厌氧磷释放速率和乙酸吸收速率增大，单位乙酸吸收量的磷释放量也相应增大；当温度在20~25℃之间时，厌氧磷释放速率达到最大值10.86 mg P·(g VSS·h)-1，随后随着温度的升高，磷释放速率开始减小，而乙酸吸收速率则继续增大，这与图1中PAOs和GAOs数量的变化有直接关系，单位乙酸吸收量的磷释放量无明显变化；当温度在25℃以上时，随着温度的升高，厌氧磷释放速率不断减小，而乙酸吸收速率不断增大，导致单位乙酸吸收量的磷释放量减小，这主要是由于GAOs数量增加造成的。单位乙酸吸收量磷释放量越高，说明EBPR中与PAO和乙酸竞争的微生物越少，生物除磷性能越好。LOPEZ等研究的合竹7个污水处理厂在12 ℃左右的平均厌氧磷释放速率为13.37 mg P·(g VSS·h)-1，单位乙酸吸收量平均磷释放速率为0.40 mg P·(mg HAc)-1，均大于本研究值，说明本研究污水处理厂污泥活性在低温下较低。ZHANC等研究的浙江10个污水处理厂在12 ℃左右的平均厌氧磷释放速率为13.37 mg P·(g VSS·h)-1， 23℃左右时平均磷释放量为2.35mg P·(g VSS·h)-1，单位乙酸吸收量平均磷释放量为0.14mg P·(mg HAc)-1，远低于本研究值，表明本研究污水处理厂活性污泥的性能优于浙江省污水处理厂。
同时，表3数据还表明污水处理厂活性污泥存在明显的反硝化吸磷现象，部分PAO能够以硝酸盐为电子受体，在吸收磷的同时将硝酸盐还原为氮气，从而达到脱氮除磷的目的。KUBA等等人认为缺氧与好氧吸磷速率的比值反映了PAO整体的反硝化能力。张建军等在生物除磷性能研究中发现，缺氧与好氧吸磷速率平均比值为40.07%，与本研究比值相当，而LOPEZ等研究结果比值在相应温度下远低于本研究比值，说明本研究污水处理厂PAO的反硝化能力良好。
2.2 温度对PAOs和GAOs比例的影响
图1描述了EUB中PAOs和GAOs占比随温度的变化情况，当温度低于20℃时，随着温度的升高，EUB中PAOs和GAOs占比逐渐升高；在20~25℃之间，EUB中PAOs占比达到最大值6.65%，随后EUB中PAOs占比开始降低，而随着温度的升高GAOs占比继续升高；当温度高于25℃时，随着温度的升高，EUB中PAOs占比继续降低，而EUB中GAOs占比继续升高。在27.9℃时GAOs的数量已经超过PAOs，说明当温度高于25℃时，GAOs在与PAOs的竞争中处于优势地位，与PAOs竞争碳源，导致磷的释放速率降低以及吸收单位乙酸释放的磷量减少，这与表2的结果一致。
LOPEZ等研究的荷兰污水处理厂在12 ℃左右时EUB中PAOS的比例为5.7%～16.4%，大于西安市第三污水处理厂大约相同温度下的比例，导致磷释放速率较低。在温度对GAOs影响的研究中，LOPEZ等发现当温度高于20 ℃时，GAOs由于具有更高的乙酸吸收速率，更有利于PAOs与GAOs的竞争；WHANC等在30 ℃时通过缩短泥龄将富含GAOs的污泥转化为富含PAOs的污泥；KUBA等的研究表明，PAOs属于短泥龄微生物，泥龄越短，除磷效果越好。因此，当温度高于25℃，且GAOs处于竞争优势时，可以适当缩短泥龄，以增强PAOs的竞争力，从而达到更好的除磷效果。
2.3 PAO 和 GAO 的分布格局
图2给出了活性污泥絮体中PAOs和GAOs的分布规律。PAOs和GAOs的数量随着温度的变化而变化，但是它们的分布规律不受温度的影响。从图2可以看出，PAOs和GAOs表现出完全不同的分布规律。PAOs在活性污泥絮体中主要以絮体的形式存在，而GAOs则以单体或者二聚体的形式均匀分布在活性污泥中。在底物有限的环境下，GAOs的自由分布有利于底物的吸收，而PAOs以絮体的形式存在则不利于底物的利用，在竞争中处于劣势。
2.4 乙酸吸收速率的温度系数
从以上数据及分析可以看出，温度对EBPR体系，特别是醋酸的吸收速率有重要的影响，主要用温度系数K来表征温度的影响。
根据20℃以下不同温度下乙酸吸收速率的测量，得到lnqT与温度（T-20）的关系，如图3所示。经函数拟合得到乙酸吸收速率的温度系数K为1.018，
0.23。LOPEZ等研究了实验室SBR反应器中PAOs的代谢，发现PAOs的乙酸吸收速率温度系数K为1.095。
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3 结论
通过研究长期温度变化对西安市第三污水处理厂氧化沟生物脱氮除磷系统除磷性能及活性污泥中PAOs和GAOs比例的影响，得到以下结论：
1）温度在20℃以下时，随着温度的升高，厌氧磷释放速率和乙酸吸收速率均增大；当温度在20~25℃之间时，厌氧磷释放速率达最大值10.86 mg P·(g VSS·h)-1，乙酸吸收速率随着温度的升高而继续增大；当温度在25℃以上时，随着温度的升高，厌氧磷释放速率降低，而乙酸吸收速率仍然增大，导致吸收单位乙酸的释放磷量降低，处理效果下降；
2）缺氧/好氧吸磷率之比为40.55%～64.90%，表明活性污泥具有明显的反硝化吸磷能力；
3）在PAOs与GAOs的竞争中，当温度低于20℃时，PAOs有利于竞争；当温度在20~25℃之间时，EUB中PAOs的比例达到最大值6.65%；当温度高于25℃时，GAOs的数量已经超过PAOs，成为优势物种；
4）通过函数拟合，得到活性污泥乙酸吸收速率的温度系数为1.018。